張宇航

（上海海事大學(xué)工程訓(xùn)練中心，上海 200135）

現(xiàn)今，海上作業(yè)作為一項亟待發(fā)展的重要產(chǎn)業(yè)。由于海上的惡劣環(huán)境，作業(yè)船體在海面會受到波浪等相關(guān)環(huán)境的影響，產(chǎn)生橫搖、縱搖、垂蕩等運動，進而改變了船體的位置。這不僅對海上正常作業(yè)產(chǎn)生了影響，也會對船舶安全造成威脅、甚至污染海上環(huán)境。為了解決海上作業(yè)船體安全問題，需要研究相應(yīng)的控制技術(shù)，因此，出現(xiàn)了波浪補償技術(shù)。

國內(nèi)外學(xué)者進行了大量關(guān)于波浪補償技術(shù)的研究，并且設(shè)計了相應(yīng)的波浪補償系統(tǒng)。目前，在應(yīng)用中波浪補償系統(tǒng)的補償效果較好。然而國內(nèi)海洋資源開發(fā)技術(shù)的相關(guān)研究起步較晚，關(guān)于波浪補償技術(shù)方面，國內(nèi)外水平依然存在著較大差距。即使在波浪補償系統(tǒng)的研究中，相關(guān)學(xué)者設(shè)計出的補償系統(tǒng)具有實用價值，應(yīng)用于國內(nèi)的海上作業(yè)船體，且得到了一定的補償效果。但是目前的補償方法均達不到實際工程的作業(yè)要求，補償效果較差，不能很好地進行相關(guān)的補償。因而國內(nèi)海洋作業(yè)補償技術(shù)還主要靠外國進口。為擺脫過度依賴進口的問題，更好的拓展海洋開發(fā)技術(shù)，有必要研究出更實用、補償效果更好的補償系統(tǒng)。

就目前而言，波浪補償系統(tǒng)存在很多不同方面的補償方式，從動力供應(yīng)方面，可分為被動式、主動式、半主動式三種補償。半主動波浪補償是一種比較理想的補償系統(tǒng)，具有補償精度高、耗能少、響應(yīng)快等特點，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用。

波浪補償系統(tǒng)主要研究方向在系統(tǒng)構(gòu)型及控制方法上，但在系統(tǒng)功率特性的深入分析方面卻較少。因此，文章以復(fù)合式液壓缸型半主動波浪補償系統(tǒng)作為研究對象進行建模仿真，分析負載位移、負載速度、系統(tǒng)能量、功率變化四個方面補償系統(tǒng)的補償控制精度與功率特性。

1 復(fù)合式液壓缸型波浪補償系統(tǒng)

1.1 復(fù)合式液壓缸型半主動波浪補償系統(tǒng)原理

工作原理：海上作業(yè)時，船體向上運動時，補償缸左腔的液壓油壓入蓄能器中，蓄能器內(nèi)由于氣體被壓縮，使其部分能量儲存在蓄能器中，補償平臺的部分上升位移，而當蓄能器氣體壓縮所具有補償能力不能滿足需求時，PID控制器就會產(chǎn)生作用，船體作業(yè)產(chǎn)生位移變化，將位移變化的信息傳遞給控制器，經(jīng)分析及計算，進而確定伺服閥處于左位，變量泵向左邊油腔輸送液壓油，進而推動油缸的活塞桿向右運動，使補償缸的左腔體積變大，補償負載上升位移，使負載與活塞桿的位置保持一定。同理，船體向下運動時，推動活塞桿向左運動，使左腔壓力變大，體積變小，補償負載的下沉位移。因此，主動式與被動式波浪補償系統(tǒng)混合使用時，其補償精度更高，耗能更少。

復(fù)合式液壓缸型半主動波浪補償系統(tǒng)液壓原理：是依靠蓄能器、液壓泵、PID伺服閥進行補償如圖1所示。復(fù)合液壓缸為執(zhí)行元件，缸腔C與蓄能器、儲氣罐相連，組成了被動波浪補償子系統(tǒng)；缸腔A、B與液壓泵、伺服閥相連，組成了主動波浪補償子系統(tǒng)。PID控制器經(jīng)過相應(yīng)的轉(zhuǎn)換來控制復(fù)合液壓缸中活塞桿的伸縮情況，進而通過滑輪組來控制負載的升沉運動。

圖1 負載位移

復(fù)合式液壓缸型波浪補償系統(tǒng)中的控制方法部分采用的是位移型控制。平臺的實時位移信號經(jīng)過位移傳感器的檢測，將檢測信號傳遞給PID控制器，控制器將給定的位移與實際檢測的信號進行運算分析，再將分析后處理好的信號輸送到伺服閥及變量泵中，進而使伺服閥確定閥的開口位置，若伺服閥處于左位，油液就會從變量泵中流到復(fù)合液壓缸中，最后補償?shù)氖菐в胸撦d的平臺位移，保持了系統(tǒng)在垂向的穩(wěn)定性。

1.2 半主動波浪補償控制器

1.2.1 模糊PID控制器工作原理

由于海上作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，會遇到各種情況，在選擇控制系統(tǒng)時要考慮其控制精度、魯棒性等問題，補償系統(tǒng)中控制方法也影響補償?shù)男Ч?，選擇一種適合多種工況的控制方法。而在工程應(yīng)用中模糊PID的調(diào)節(jié)時間、超調(diào)量都小于PID控制的，且模糊PID無滯后、控制精度更高、效果更好，因此文章采用的控制為模糊PID控制。此控制器是傳統(tǒng)的PID控制結(jié)合模糊控制組成的，主要采用的是模糊推理判斷的思維方式，進行PID參數(shù)進行在線自整定，根據(jù)不同的輸入信號偏差E、偏差變化率EC改變其參數(shù)，當PID控制器中Kp、Ki、Kd三個環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)變?yōu)樾聟?shù)后，輸送給被控對象，進而完成整個模糊PID控制器的工作過程。

1.2.2 建立模糊PID控制器

模糊PID控制器中的輸入語言變量為E、EC；輸出語言變量為ΔKp、ΔKi、ΔKd；輸入輸出語言變量的模糊子集均為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}；輸入輸出語言變量的論域均為[-6，+6]。文章將輸入輸出的語言值的隸屬度函數(shù)類型選擇為三角形。

根據(jù)E、EC、ΔKp、ΔKi、ΔKd與相應(yīng)關(guān)系的模糊規(guī)則表，在模糊控制器中選定控制規(guī)則，得出模糊PID控制器的隸屬度函數(shù)，最終完成模糊PID控制器FIS系統(tǒng)文件的建立。

2 復(fù)合式液壓缸波浪補償系統(tǒng)的仿真模型

2.1 模糊PID控制系統(tǒng)仿真模型

根據(jù)模糊PID控制器原理、模糊規(guī)則以及常規(guī)PID控制器建立SIMULINK中建立模糊PID模型并調(diào)用S-Function函數(shù)，將此函數(shù)名稱選擇AMESim仿真模塊中的lianhe_。其模糊PID控制系統(tǒng)仿真模型將PID的初始值分別設(shè)定為6.5、1.3、3，模糊控制器中的模糊因子分別取0.1、0.1，解模糊因子取值分別為3、0.05、0.04。

2.2 復(fù)合式液壓缸型半主動波浪補償系統(tǒng)仿真模型

根據(jù)復(fù)合式液壓缸型波浪補償系統(tǒng)的原理以及仿真構(gòu)思步驟，建立復(fù)合式液壓缸型半主動波浪補償系統(tǒng)AMESim仿真模型以及AMESim-Simulink聯(lián)合仿真模型。此設(shè)計采用單倍率，波浪信號采用正弦信號。

控制模塊為AMESim中的PID控制模塊，該模型為AMESim單獨仿真。而控制模塊為Simulink中的模糊PID控制系統(tǒng)時，該模型為AMESim-Simulink聯(lián)合仿真，Simulink提供了泵和伺服閥的控制信號，AMESim提供了負載位移與速度信號，液壓系統(tǒng)通過Simulink中的控制系統(tǒng)，將信號傳遞給泵和伺服閥，進而使活塞運動帶動負載運動。

3 仿真結(jié)果

復(fù)合式液壓缸型半主動波浪補償系統(tǒng)仿真模擬過程中，設(shè)補償系統(tǒng)中兩個主動補償缸直徑為活塞70 mm、62 mm，復(fù)合液壓缸活塞桿直徑62 mm、50 mm，復(fù)合液壓缸行程400 mm，充氣體積25 L，液壓泵排量0.045 L/rev，質(zhì)量300 kg，升沉高度為3 m?？刂撇糠植捎玫妮斎胄盘枮檎也ǎ浔磉_式為x(t)=Asinωt，ω=2π/T。仿真時取頻率與幅值為T=12 s，A=3 m，仿真時間為40 s。

再將聯(lián)合仿真半主動補償系統(tǒng)的補償效果與AMESim單獨仿真的補償效果在負載位移、負載速度、系統(tǒng)功率、系統(tǒng)能量方面進行對比分析。

（1）負載位移與負載速度。如圖1、圖2所示，在頻率與幅值為T=12 s，A=3 m，仿真時間為40 s時，其聯(lián)合仿真與AMESim單獨仿真時負載補償位移相差不大，負載速度相差大約0.001 m/s，補償效率基本近似相等約為93.6%，表明聯(lián)合仿真與單獨仿真都對補償位移的補償效果較好。

圖2 負載速度

（2）系統(tǒng)功率與系統(tǒng)能量。如圖3、圖4所示，在頻率與幅值為T=12 s，A=3 m，仿真時間為40 s時，雖然聯(lián)合仿真的補償效果與AMESim仿真的基本保持一致，但是能耗與功率明顯不同。聯(lián)合仿真所消耗的功率是7 kW，能量損失為45 000 J；AMESim單獨仿真所消耗功率為9 kW，能量損失為105 000 J。其聯(lián)合仿真消耗功率是AMESim單獨仿真的0.78倍，能量損失是單獨仿真的0.5倍。

圖3 系統(tǒng)功率

圖4 系統(tǒng)能量

4 結(jié)論

復(fù)合式液壓缸型半主動波浪補償系統(tǒng)進行聯(lián)合仿真分析半主動補償?shù)呢撦d位移、負載速度、系統(tǒng)能量、功率變化；在補償效果上，驗證了復(fù)合式液壓缸型波浪補償系統(tǒng)AMESim仿真的可行性；在能耗上，表明復(fù)合式液壓缸型半主動波浪補償系統(tǒng)的AMESim-Simulink聯(lián)合仿真的效果更好，進而得出聯(lián)合仿真更能減少能耗以及系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計的合理性。